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Gateway IoT : le pont entre les devices et le cloud

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Georges

Dans l’architecture d’une solution IoT, l’une des strates les plus cruciales est sans doute la remontée des données vers le cloud. La gateway y joue un rôle primordial.

La gateway a pour mission de récupérer les données captées par les différents devices, pour les transmettre de manière fiable, coordonnée et efficiente. En effet, les devices vont produire des données disparates, avec des formats différents les uns des autres. La manière dont ils sont connectés varie elle aussi d’un device à l’autre : Bluetooth, cellulaire, Wifi, ZigBee…

Envoyer directement l’ensemble de ces données dans le Cloud serait un non-sens économique, énergétique et stratégique. La gateway IoT vient agréger et trier cette masse de données, pour ne transmettre que celles vraiment utiles à l’usage final de la solution.

 

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Qu’est ce qu’une gateway IoT ? Définition

Une gateway consiste donc en un portail de communication entre les devices et le Cloud. 

 

Elle va récolter d’énormes masses de données très différentes : température, pression, humidité… pour les traiter avant de les envoyer sur le Cloud. A noter qu’il ne s’agit que d’un prétraitement, les véritables analyses (data science) sont faites à partir du Cloud.

 

Les communications se font dans les deux sens. La gateway est également le vecteur des communications du Cloud vers les devices (comme des mises à jour). Elle rend ainsi possible d'exécuter des commandes sur les devices sans avoir à y accéder manuellement, une par une.


Si la définition d’une gateway peut correspondre à celle d’un simple routeur, la réalité est plus complexe. Avec la croissance exponentielle de la masse de données générée par l’IoT, la gateway est indispensable aux fonctions d'edge computing : sélectionner les données qui vont être stockées localement (sur des serveurs ou de simples disques durs) pour n’envoyer que celles qui sont nécessaires immédiatement.

 

Quelles différences entre une gateway et un routeur ?

Un routeur est également une passerelle entre des devices et le réseau internet. Les gateways sont fondamentalement différentes car conçues pour des applications industrielles et des environnements extrêmes (froid, humidité, chocs). Elles offrent également des interfaces bien différentes de celles réservées au grand public (I2C, digital GPIOs…).

 

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Les gateways sont capables de communiquer sur plusieurs protocoles : Wifi, Ethernet, Bluetooth, cellulaire. C’est une composante essentielle dans une solution IoT qui utilise des devices très hétérogènes. Elles sont aussi plus flexibles pour adapter et customiser les logiciels support des applications, afin de répondre à des demandes au cas par cas.

 

Pourquoi a-t-on besoin d’une gateway ?

Une solution IoT peut fonctionner sans gateway.

 

Équipés des modules connectivité adéquats, les devices peuvent tout à fait transmettre leurs données directement dans le Cloud.

 

Pourquoi une gateway s'avère indispensable dans la plupart des cas d’usage ?

 

Les solutions IoT sont de plus en plus complexes. Les devices nécessitent de pouvoir communiquer entre eux, tout en parlant des langages différents. La masse de données générées est elle aussi exponentielle et requiert désormais dans la plupart des cas de figure un filtre pour ne pas emboliser la solution.

 

C’est tout l’avantage d’une gateway qui va, en quelque sorte, être la chef d'orchestre de dizaines (voire plus) de devices.

 

Les bénéfices d’une architecture en gateway dans une solution IoT

Pour mieux comprendre la plus-value qu’une gateway apporte à une solution IoT, nous allons prendre l’exemple d’un espace de coworking sur plusieurs étages, entièrement équipé en domotique.

 

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Premièrement, l'avantage d’une gateway dans ce type de configuration est l’absence (quasiment) totale de latence. Notre espace de coworking comporte des accès aux portes et des éclairages connectés. La gateway vient supprimer totalement le temps d’attente entre les commandes et leurs résultats.

 

Ensuite, notre espace de coworking est en constante évolution. Au gré des sociétés qui vont et viennent, les espaces sont réaménagés. La gateway permet de (re)configurer l’ensemble des installations domotiques de manière simple et rapide.

 

Même si la connexion Internet est fiable, des avaries peuvent survenir. Une gateway permet à l’ensemble de la domotique de l’espace de coworking de continuer de fonctionner même si la connexion au réseau Internet est interrompue.

 

Enfin, chaque locataire doit pouvoir maîtriser par lui-même les contrôles dans ses bureaux (chauffage, luminosité, accès). La gateway permet de proposer des interfaces claires et intuitives, connectant l’ensemble de la domotique sur une seule application.

 

Les limites d’une architecture en gateway

Si nous avons vanté jusqu’ici les mérites d’une gateway dans une installation IoT, certains points négatifs restent tout de même à souligner.

 

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Tout d’abord, la gateway consistant en une étape supplémentaire au sein de l’architecture IoT dans son ensemble, elle peut induire des latences et des ralentissements entre le device et le Cloud.

 

Cela peut paraître contradictoire avec le paragraphe précédent, mais là encore, cela dépend des cas d’usage. S’il s’agit de ne connecter qu’un seul type de device (par exemple, une caméra) dans une zone couverte en Wifi, la gateway peut être source d’augmentation de la latence.

 

La gateway peut elle aussi être source d’avaries. Dans ce cas, le problème va impacter l’ensemble des devices qui y sont connectés. Ce risque peut toutefois être considérablement réduit en ajoutant plusieurs gateways, créant des redondances.

 

Une gateway doit également, dans la plupart des situations, être alimentée électriquement. Une batterie ne suffira pas, générant des coûts supplémentaires d’installation.

 

Cas d’usage : réseau LoRa avec une gateway en LTE-M en smart building

Lorsque des centaines de capteurs disséminés dans un smart building doivent remonter leurs informations, une gateway devient indispensable au bon fonctionnement de la solution.

 

Les capteurs sont très hétérogènes. Certains mesurent l’humidité, la température, d’autres si des portes sont fermées ou ouvertes, si les lumières sont allumées ou éteintes et d'autres encore la consommation d’eau de l’ensemble des sanitaires.

 

Certains sont situés sous plusieurs mètres de béton, d’autres à l’extérieur sur le toit.

 

Pour chacun de ces capteurs, qui ne génèrent que quelques octets de données par jour, communiquer entre eux (device-to-device) ou à une gateway est tout à fait réalisable en LPWAN, dans ce cas, LoRa.

 

Certaines données sont utiles uniquement localement et n’ont pas vocation à être uploadées dans le Cloud (vidéosurveillance, par exemple).

 

C’est là tout l’avantage des gateways. En les plaçant à intervalles réguliers, disons une par étage, elles permettent de récupérer l’ensemble des données captées, de les traiter et d’envoyer, le cas échéant, dans le Cloud celles qui sont utiles pour analyse.

 

La gateway est connectée au Cloud via le réseau cellulaire LTE-M. Fiable, rapide, sécurisé et dense, le réseau cellulaire constitue la meilleure option pour envoyer les données vers le Cloud. 

 

D’autres options sont possibles notamment via la fibre ou la 5G, toutefois ces alternatives sont à ce jour beaucoup moins disponibles que le cellulaire. Dans notre cas d’usage, un smart building, le réseau LTE-M est amplement suffisant pour remonter des informations techniques, relativement légères.